專利名稱：一種低分辨光纖單色儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖器件領(lǐng)域，尤其涉及一種低分辨光纖単色儀。
背景技術(shù)：
光纖光譜測量以及基于光纖光譜的傳感技術(shù)方法中，色散元件有光纖光柵、AWG波分復(fù)用器、多層膜濾色片、馬赫-澤德干渉、法布里-珀羅微光學(xué)元件等類型；信號光波長范圍較寬、對波長的分辨精度要求不高時，還常常使用小型光纖光譜儀來解析出低分辨光譜。相較之下，本發(fā)明的光纖單色儀能夠提供低分辨率的色散，且體積微小、制造エ藝穩(wěn)定可靠、使用便利，在產(chǎn)品的成本和應(yīng)用領(lǐng)域范圍方面有很大優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種可用于低分辨光譜測量和光學(xué)傳感的低分辨光纖單色儀，具體應(yīng)用包括溫度傳感、化學(xué)傳感、吸收率測量分析、色度學(xué)測量等。本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，ー個Y形多模光纖分束器的兩個同側(cè)的光纖分支分別用于激發(fā)光和信號光的傳輸，其中信號光出射光纖的端面相對于光纖軸向呈特定角度傾斜，透射式光柵制作在信號光出射光纖的端面，光電轉(zhuǎn)換元件與信號光出射光纖同軸安裝。Y形多模光纖分束器的信號光出射光纖的端面相對于光纖軸向的傾斜角為r =90° - arcsin M / - I) ]}。所述的透射式光柵的姆條刻痕都垂直于光纖軸向和信號光出射光纖端面的傾斜方向，并平行等距分布。是所述的Y形多模光纖分束器的分支比根據(jù)激發(fā)光強(qiáng)度、信號光強(qiáng)度來確定，通常取50/50。信號光出射光纖的端面研磨或切割出的傾斜角r= 90° - arcsin{^/[Jfc1-I)]}使信號光中心波長的ー級衍射方向沿光纖軸向。透射式光柵直接光刻在、或者平行粘貼在、或者模壓復(fù)制在信號光出射光纖的端面。本發(fā)明所述的透射式光柵，其特征是光柵直接光刻在、或者平行粘貼在、或者模壓復(fù)制在信號光出射光纖的端面。制作方法取決于精度要求和光纖材質(zhì)。本發(fā)明的優(yōu)點是便捷的組裝方式，極小的器件尺寸，使用便利、成本低廉。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明A的局部方大圖。在圖中，I、Y形多模光纖分束器11、激發(fā)光入射光纖12、信號光出射光纖13、光纖尾纖2、透射式光柵3、光電轉(zhuǎn)換兀件
圖中顯示信號光中心波長ス的一級衍射沿光纖軸向傳播，進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換元件的情況。A為光纖纖芯折射率;《2為空氣折射率；β為信號光束與信號光出射光纖端面法線的夾角；Φ為衍射角；r為信號光出射光纖的端面的傾斜角。
具體實施例方式如圖I、圖2所示，本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，它包括一個Y形多模光纖分束器1，分束器的兩個同側(cè)的分支分別用于激發(fā)光和信號光的傳輸，激發(fā)光經(jīng)激發(fā)光入射光纖11注入傳感器探針，信號光經(jīng)信號光出射光纖12導(dǎo)出，激發(fā)光被部分吸收部分反射、或者激發(fā)光的波長被調(diào)制發(fā)生在Y形多模光纖波導(dǎo)分束器另ー側(cè)的光纖尾纖13上。信號光出射光纖12的端面相對于光纖軸向呈特定角度傾斜，透射式光柵2制作在信號光出射光纖12的端面。信號光通過透射式光柵2后被色散為単色光。屬于ー級衍射的単色光的中心波長成分沿信號光出射光纖12的軸向出射。同軸安裝在信號光出射光纖12末端的光電轉(zhuǎn) 換元件3接收已經(jīng)色散了的信號光，輸出信號光中各不同波長成分的光強(qiáng)度相對值，即信號光的光
-i'Tfe レ曰。本發(fā)明所述的Y形多模光纖分束器I的信號光出射光纖12的端面相對于光纖軸向的傾斜角為r，ir= 90° - arcsinp/[￡/(/ :-I)]}。其中』為信號光的中心波長，ゴ為所述的透射式光柵2的光柵常數(shù)，/為光纖纖芯的折射率或有效折射率。本發(fā)明所述的透射式光柵2的姆條刻痕都垂直于光纖軸向和信號光出射光纖端面的傾斜方向，并平行等距分布。根據(jù)斜入射的光柵方程￠/ (^1Sin Θ + η28 ηΦ) = 土左』，信號光出射到空氣后被光電轉(zhuǎn)換元件3接收，空氣折射率/72取I。信號光沿光纖軸向傳輸，在信號光出射光纖12的端面的入射角為〃，而端面相對于光纖軸向的傾斜角r=90° - β 0對于ー級衍射左=1，本發(fā)明所述的特定傾斜角r使信號光中心波長的ー級衍射方向沿光纖軸向，亦即ー級衍射角φ = - β。信號光出射光纖12的端面可以用研磨或切割的方式加工出來。研磨或切割可以使用常規(guī)的光纖研磨機(jī)和光纖切刀。本發(fā)明所述的Y形多模光纖分束器I的分支比根據(jù)激發(fā)光強(qiáng)度、信號光強(qiáng)度來確定，通常取50/50。但選用其它的分支比不影響本發(fā)明的光纖單色儀的色分辨本領(lǐng)。本發(fā)明所述的透射式光柵2直接光刻在、或者平行粘貼在、或者模壓復(fù)制在信號光出射光纖12的端面。制作方法取決于光纖材質(zhì)。塑料光纖適合采用模壓方法在光纖端面復(fù)制出光柵；石英或藍(lán)寶石光纖適合直接采用光刻エ藝；不同類型的光纖均可粘貼預(yù)制好的光柵?？刂仆干涔鈻?的閃耀角，可使信號光的絕大部分的光能量集中到預(yù)定的光譜級，即本發(fā)明中設(shè)定的第一級衍射級。然后ー級衍射的単色光由光電轉(zhuǎn)換元件3接收。光電轉(zhuǎn)換元件3可以使用陣列式探測器例如CCD、CMOS攝像頭，也可以使用分立的光電探測器如光敏三極管、光敏電阻等。具體舉例一，以光纖尾纖13連接ー個Er3+離子熒光溫度傳感探頭的低分辨光纖單色儀為例
用于熒光比強(qiáng)度法溫度傳感的Er3+離子熒光的波長范圍在515nnT570nm。取545nm為所述信號熒光的中心波長，熒光光譜的分辨率達(dá)到15nm即可實際應(yīng)用。
采用市售的Y形多模石英光纖分束器，纖芯的折射率為Z7l=L 468，芯徑62. 5微米。激發(fā)光由激發(fā)光入射光纖11導(dǎo)入，將信號光出射光纖12的端面研磨為39度傾斜，然后在端面斜面上光刻出平行等距分布的光柵刻痕，光柵常數(shù)I. 5微米，光柵刻痕均垂直于光纖軸向和信號光出射光纖端面的傾斜方向。由光柵方程計算可得，波長』=545nm的光的一級衍射(即A=I)沿光纖軸向。光纖的纖芯范圍共刻線數(shù)為#= 62.5 / ( 1.5 * sin39° )計66條。由光柵的色分辨本領(lǐng)計算式/ = M-I =』/A』，該端面光柵的一級衍射光譜在545nm波長處的分辨率為8. 4nm。具體舉例二，光纖尾纖13直接正對一個待測物體的表面測量反射光譜。從物體表面反射的光返回到光纖尾纖13，并最終在信號光出射光纖12的端面處衍射后被光電轉(zhuǎn)換元件3接收。取I. 2微米的光柵常數(shù)、27度的端面傾斜角，可以使500nm波長光的一級衍射沿光纖軸向出射，并達(dá)到約4nm的分辨率。本發(fā)明不限于上述實施方式。權(quán)利要求
1.一種低分辨光纖單色儀，其特征在于一個Y形多模光纖分束器的兩個同側(cè)的光纖分支分別用于激發(fā)光和信號光的傳輸，其中信號光出射光纖的端面相對于光纖軸向呈特定角度傾斜，透射式光柵制作在信號光出射光纖的端面，光電轉(zhuǎn)換元件與信號光出射光纖同軸安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種低分辨光纖單色儀，其特征是Y形多模光纖分束器的信號光出射光纖的端面相對于光纖軸向的傾斜角為r= 90° - arcsin{』/[Jfc1 - I)]}。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種低分辨光纖單色儀，其特征是所述的透射式光柵的每條刻痕都垂直于光纖軸向和信號光出射光纖端面的傾斜方向，并平行等距分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種低分辨光纖單色儀，其特征是所述的Y形多模光纖分束器的分支比根據(jù)激發(fā)光強(qiáng)度、信號光強(qiáng)度來確定，通常取50/50。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低分辨光纖單色儀，其特征是信號光出射光纖的端面研磨或切割出的傾斜角r= 90° - arcsin{』/[￡/(& - I)]}使信號光中心波長的一級衍射方向沿光纖軸向。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低分辨光纖單色儀，其特征是透射式光柵直接光刻在、或者平行粘貼在、或者模壓復(fù)制在信號光出射光纖的端面。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖器件領(lǐng)域，具體涉及一種低分辨光纖單色儀，本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)為采用Y形多模光纖分束器，兩個同側(cè)的分支分別用于激發(fā)光和信號光的傳輸，信號光出射光纖的光纖端面與光纖軸向呈γ=90°–arcsin{λ/[d(n1–1)]}的傾斜角，在光出射端面的纖芯范圍內(nèi)布滿平行等距的光柵刻痕，刻痕垂直于端面傾斜方向和光纖軸向。信號光出射光纖射出的信號光被端面光柵色散為單色光，由與信號光出射光纖同軸安裝的光電轉(zhuǎn)換元件接收。而端面斜角使信號光的中心波長的一級衍射方向沿光纖軸向。本發(fā)明的光纖單色儀易于組裝，可以用于溫度傳感、化學(xué)傳感、吸收率測量分析、色度學(xué)測量等應(yīng)用。
文檔編號G01J3/18GK102680096SQ20121017035
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月29日
發(fā)明者張巍巍, 陳夏平, 高益慶, 龔勇清 申請人:南昌航空大學(xué)